JP3982140B2

JP3982140B2 - スクロール圧縮機

Info

Publication number: JP3982140B2
Application number: JP2000052212A
Authority: JP
Inventors: 尚長縄; 雄二吉冨; 明彦山本; 茂町田; 和明椎木
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2000-02-24
Filing date: 2000-02-24
Publication date: 2007-09-26
Anticipated expiration: 2020-02-24
Also published as: JP2001234876A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は空気圧縮機や冷凍・空調用圧縮機として使用されるスクロール圧縮機に係り、特に、大型のスクロール圧縮機を実現するのに好適な両側にスクロールラップを有する構造のスクロール圧縮機に関する。
【０００２】
【従来の技術】
スクロール圧縮機は鏡板に渦巻状のスクロールラップを直立して設けた２つのスクロール部材を互いに噛み合わせて、一方のスクロール部材を他方のスクロール部材に対して相対的に旋回運動させ、スクロール部材の外周部から内周部に向かって気体を圧縮させている。特開平５−５２１８９号公報には、スクロールラップを有する２つの固定スクロールの間に、両面にスクロールラップを有する旋回スクロールと、この旋回スクロールの外周部に駆動クランク軸と補助クランク軸が設けられ、これら２本のクランク軸は２つの固定スクロールに設けられた軸受によって回転可能に支持されている。駆動クランク軸と補助クランク軸は同期回転する手段が設けられ、駆動クランク軸が回転することで、旋回スクロールが一定の半径で旋回運動するように構成されている。
【０００３】
固定スクロールに対して旋回スクロールが高温になった場合、旋回スクロールが前記クランク軸同士を結ぶ軸線方向に相対的に伸びる。この旋回スクロールの伸びを許容する手段については、特開平１０―３３９２８１号公報で提案されている。これは、いずれか一方のクランク軸の軸受部に軸線方向にスライド可能な直方体のスライダを設けて、旋回スクロールの伸びを許容するものである。しかし、スライダのスライド面に負荷される荷重と、その荷重を受ける構造については詳細に述べられていない。また、軸受を収納するスリーブの運転時の緩みを防止する手段については述べられていない。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
スクロール圧縮機の運転中に駆動クランク軸及び補助クランク軸には、ガス圧縮力や旋回スクロールの旋回運動による遠心力に加えて、温度上昇に伴う熱膨張による負荷荷重が作用する。このため、これを支持する軸受構造にすると共に、スクロールラップが接触しない構造にする必要がある。
【０００５】
上記した従来技術では、旋回スクロールが平行に配置された２つの固定スクロールに挟まれた状態で構成され、駆動クランク軸と補助クランク軸がそれぞれ固定スクロールに転がり軸受を介して支持されている。固定スクロール及び旋回スクロールに設けた駆動クランク軸用軸受と補助クランク用軸受の中心間距離は、安定した運動をさせるため等しくなるように構成されている。
【０００６】
スクロール圧縮機を運転すると、圧縮機本体はもちろんのこと、スクロールの中心部が圧縮熱によって高温になる。このため運転中は、外面に接している固定スクロールに対して、２つの固定スクロールの間に配置された旋回スクロールが高温になりやすい。運転中の相対的な熱膨張量は、固定スクロールよりも旋回スクロールの方が大きくなるため、旋回スクロールの軸線方向の伸びをスライドすることによって許容する手段を設けている。これは、旋回スクロールと補助クランク軸の軸受との間に、軸線方向にスライドする直方体のスライダを設けたものである。
【０００７】
スライダは、補助クランク軸中心を挟んで２個対向して配置されており、転がり軸受が焼きばめされたスリーブの外周面と、このスリーブが収納される旋回スクロールの孔の内側に形成された平面部に、微少な締め代を付けて挟まれて配置される。
【０００８】
スクロール圧縮機の運転中、スライダの受圧面にはガス圧縮力による変動荷重と、旋回スクロールの遠心力による変動荷重が負荷される。スライダに変動荷重が負荷されると、スライダはガタついて摩耗が生じ、寿命が短くなる懸念がある。また、スライダに変動荷重が負荷されることによりスライダが少しずつ移動し、ついには他の部品と接触して破損する懸念がある。
【０００９】
以上、スライダは、旋回スクロールの軸線方向の伸びをスライドすることによって許容し、同時に、上記の負荷荷重に耐えなければならない。また、微少な締め代を付けて配置されたスライダは、運転中の温度上昇による各部品の熱膨張によって緩んで外れることはあってはならない。
【００１０】
さらに、転がり軸受を収納する軸受スリーブは、線膨張係数を考慮した材質でないと、運転時の温度上昇により、焼きばめにより嵌合していた軸受と軸受スリーブとの間で緩みが生じる場合がある。このため、これを防止しなければならない。
【００１１】
本発明の目的は、熱による膨張があっても正常な運転が可能なスクロール圧縮機を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、以下のような手段を講じた。
【００１３】
まず、スライダを旋回スクロールに固定すると共に、スライダの受圧面積を大きくした。スライダの片面を固定したことにより、ガス圧縮力及び旋回スクロールの遠心力による変動荷重がスライダに負荷されても、スライダはガタつくことなく、旋回スクロールの伸びを許容するようにスライドする。また、スライダの受圧面積を大きくしたことにより、負荷される面圧が低くなるので、スライダの長寿命化が図れる。
【００１４】
次に、軸受スリーブを軸受よりわずかに大きい線膨張係数の材質で製作し、軸受を軸受スリーブに適正な焼きばめ代にて焼きばめした。これにより運転時に温度上昇しても、軸受と軸受スリーブがともにほぼ同様な量だけ熱膨張するため、緩んで抜けることはない。
【００１５】
【発明の実施の形態】
本発明の実施例について次に説明する。本発明に係わるスクロール圧縮機の本体ブロックは、旋回運動によって圧縮空気を発生させる。図１及び図２は旋回運動を説明するための２つの固定部材（固定スクロール）と旋回部材（旋回スクロール）とを含む簡略図である。
【００１６】
図１のようにクランク部４ａを有する駆動クランク軸４と、同じ偏心量のクランク部５ａを有する補助クランク軸５とが平行に配置され、第１の固定部材１０１と第２の固定部材１０２との間に旋回部材１０３が挟まれて配置される。第１の固定部材１０１、第２の固定部材１０２及び旋回部材１０３には、それぞれ転がり軸受１０１ａ、１０１ｂ、１０２ａ、１０２ｂ、１０３ａ、１０３ｂが配設されており、駆動クランク軸４及び補助クランク軸５が支持される。駆動クランク軸４と補助クランク軸５との間に同期回転手段が設けられており（図示せず）、補助クランク軸５は駆動クランク軸４に合わせて同期回転する。
【００１７】
図２は駆動クランク軸４が、図１より約１８０°回転した場合の旋回部材１０３の位置を示している。駆動クランク軸４が回転運動することによって、旋回部材１０３が前記クランク部の偏心量に応じた旋回半径で旋回運動する機構になっている。
【００１８】
図３は本発明に係るスクロール圧縮機の本体ブロックの断面図を示す。本体ブロックＡには、駆動クランク軸４と補助クランク軸５の間に同期回転機構が設けられている。同期回転機構は、タイミングプーリ６ａと、タイミングベルト７と、タイミングプーリ７ｂとから構成されている。モータ（図示せず）からプーリ６へ動力が伝達されることにより、駆動クランク軸４が回転し、駆動クランク軸４に固定された回転同期用のタイミングプーリ６ａからタイミングベルト７により補助クランク軸５に固定されたタイミングプーリ７ｂに回転伝達され、補助クランク軸５は駆動クランク軸４に合わせて同期回転を行う。
【００１９】
第１の固定スクロール１と第２の固定スクロール２が平行に配置されており、その間に旋回スクロール３が配置されている。旋回スクロール３の両面の鏡板３ａには、渦巻状のスクロールラップ３ｂが設けられている。また、旋回スクロール３のスクロールラップ３ｂに噛み合うように、第１の固定スクロール１の鏡板１ａと第２の固定スクロール２の鏡板２ａにもそれぞれ渦巻状のスクロールラップ１ｂ、２ｂが設けられている。旋回スクロール３が旋回運動することによって、第１及び第２の固定スクロールのスクロールラップ１ｂ、２ｂと旋回スクロール３のスクロールラップ３ｂは互いに噛み合わされ、圧縮室が形成される。なお、駆動クランク軸４、補助クランク軸５には、バランスウエイト１７ａ、１７ｂ、１７ｃ、１７ｄが取り付けられている。
【００２０】
駆動クランク軸４と補助クランク軸５は、第１の固定スクロール１と第２の固定スクロール２に収納された旋回スクロール３を貫通するように配置されいる。貫通する部分は、駆動クランク軸４と補助クランク軸５の両方とも、第１の固定スクロール１と第２の固定スクロール２の支持点に対して同じ量だけ偏心している。
【００２１】
駆動クランク軸４と補助クランク軸５の旋回スクロール３を貫通する部分には、回転支持用の転がり軸受１０ａ、１０ｂ、１１ａ、１１ｂ、１２ａ、１２ｂが配置されている。駆動クランク軸４及び補助クランク軸５が回転すると、旋回スクロール３が旋回運動を行い、これにより流体が吸込口（図示せず）から第１の固定スクロール１のスクロールラップ１ｂと旋回スクロール３のスクロールラップ３ｂ、及び、第２の固定スクロール２のスクロールラップ２ｂと旋回スクロール３のスクロールラップ３ｂで形成される三日月状の圧縮室１４、１５に吸い込まれる。旋回スクロール３が回転するにつれて、吸い込まれた流体は圧縮され、所定の圧力まで上昇した後、吐出ポート９より吐出される。
【００２２】
図４にスライダ２０が取り付けられた旋回スクロール３の斜視図を示す。又、図５に断面図を示す。
【００２３】
旋回スクロール３には、スリーブ２１（図５参照）が収納される孔２５が形成されており、孔２５の内面には、駆動クランク軸４（図示せず）の軸中心と補助クランク軸５の軸中心とを結ぶ線と平行に、補助クランク軸５を挟んで凹部２２が２箇所対向した位置に形成されている。スライダ２０は直方体の形状を有し、凹部２２にボルト２４によって旋回スクロール３に固定されている。
【００２４】
転がり軸受１１ｂは、スリーブ２１に焼きばめにより嵌合され、補助クランク軸５の回転を支持する。スリーブが収納される旋回スクロール３の孔２５とスリーブ２１の間には、運転中の旋回スクロールの伸びを許容するのに十分な隙間Δが設定されている。また、スリーブ２１の外周には２箇所対向した位置に平坦部２３が形成されており、この平坦部２３は旋回スクロール３に固定されたスライダ２０と面で接触する。また、スライダ２１は微少な締め代を設けて、旋回スクロール３の凹部２２とスリーブ２０の平坦部２３に挟まれて配置されている。
【００２５】
上記のような構造としたことにより、運転中の温度上昇による旋回スクロール３の伸びを、スライダ２０とスリーブ２１との接触面の相対移動によって許容し、旋回スクロール３の伸びによる補助クランク軸５への負荷は低減される。
【００２６】
本実施例の各部材は、旋回スクロール３がアルミニウム合金、スライダ２０がスライド時の摺動特性を考慮して潤滑油を含浸した焼結合金、スリーブ２１がステンレス鋼、転がり軸受１１ｂの外輪が軸受鋼で作られている。それぞれの線膨張係数は、旋回スクロール３が２０×１０~⁶／Ｋ、スライダ２０が１６×１０~⁶／Ｋ、スリーブ２１が１５×１０~⁶／Ｋ、転がり軸受１１ｂの外輪が１２×１０~⁶／Ｋである。
【００２７】
スリーブ２１に焼きばめにより嵌合された転がり軸受１１ｂは、両方の線膨張係数が近く、熱膨張に差が生じても嵌合するだけの焼きばめ代で焼きばめしているので、運転中の熱膨張によって緩んで外れることはない。さらに、スリーブ２１を転がり軸受１１ｂより小さな材料で形成することにより、運転中に嵌合力が増加して信頼性は向上する。
【００２８】
また、旋回スクロール３とスリーブ２１とに微少な締め代を設けているため、運転中の熱膨張によってスライダ２０とスリーブ２１の平坦部２３は離れることなく常に面接触している。
【００２９】
次に、運転中にスリーブ２１の受圧面に負荷される荷重について説明する。図６は運転中にスライダ２０に負荷される荷重モードを示す。
【００３０】
同図はスライダ２０の受圧面に負荷される荷重を縦軸に、クランク軸回転角を横軸にとって示している。なお、荷重は大きさの比較のみで単位は省略している。スクロール圧縮機の運転中、スライダ２０の受圧面には図中破線で示すガス圧縮力による変動荷重と、点線で示す旋回スクロールの遠心力による変動荷重が作用し、実線で示す合計の変動荷重が負荷される。このような変動荷重がスライダ２０に負荷されると、スライダ２０はガタつきながら少しずつ移動しようとするが、図５で示したようにスライダ２０はボルト２４により旋回スクロール３に固定されているため、ガタつくこともなく、移動することもない。
【００３１】
さらにスライダ２０は、上記実施例の潤滑剤を含浸した焼結合金の他、耐熱性に優れた樹脂材料に摺動性を向上させる材料を充填したものでもよい。例えば、グラファイトを充填したポリイミド樹脂で形成してもよい。この場合のスライダ２０の線膨張係数は、４１×１０~⁶／Ｋであり、この場合も運転中の熱膨張によってスライダ２０とスリーブ２１の平坦部２３は離れることなく常に面接触している。また、樹脂は焼結合金に比較して叩き荷重に対して耐摩耗性があるため、変動荷重が連続的に負荷されても長寿命化が図れる。また、カーボンを充填したポリエーテルエーテルケトン樹脂で形成してもよい。この場合も、スライダ２０に変動荷重が連続的に負荷されてもスライダ２０の長寿命化が図れる。さらに、ポリイミド樹脂を含浸した不織布積層材料で形成してもよい。この場合も、スライダ２０に変動荷重が連続的に負荷されてもスライダ２０の長寿命化が図れる。
【００３２】
次にスライダの受圧面に負荷される面圧を低減する実施例について述べる。
【００３３】
図７に本発明の他の実施例である補助クランク軸５周辺の各部品の組立図を示す。同図のスライダ２０の形状は直方体で、図中Ｌの寸法を長くして、スライダ２０とスリーブ２１とが摺動する平坦部２３の面積を広くしたものである。これにより、スライダ２０に負荷される面圧が小さくなり、スライダ２０の長寿命化が図れる。
【００３４】
図８に本発明の他の実施例の補助クランク軸５周辺の組立図を示す。同図のスライダ３０の形状は長方形ではなく、コの字形状を有し、中央部に平坦部３０ａと、両端部に平坦部３０ｂが形成されている。一方、スリーブ２１にもスライダの平坦部３０ａ、３０ｂと摺動する位置に、平坦部２１ａ、平坦部２１ｂが形成されている。これにより、摺動する面積が広くなり、スライダ３０に負荷される面圧が小さくなり、スライダ３０の長寿命化が図れる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係わる旋回運動の機構を説明する斜視図。
【図２】本発明に係わる旋回運動の機構を説明する斜視図。
【図３】本発明に係わるスクロール圧縮機の本体ブロックの断面図。
【図４】本発明の実施形態を示すスライダ取り付け部の斜視図。
【図５】本発明の実施形態を示す補助クランク軸周辺の軸直角断面図。
【図６】本発明に係わるスライダの受圧面に負荷される荷重モード。
【図７】本発明の実施形態を示す補助クランク軸周辺の軸直角断面図。
【図８】本発明の実施形態を示す補助クランク軸周辺の軸直角断面図。
【符号の説明】
１…第一の固定スクロール、２…第二の固定スクロール、３…旋回スクロール、１ａ、２ａ、３ａ…鏡板、１ｂ、２ｂ、３ｂ…スクロールラップ、４…駆動クランク軸、５…補助クランク軸、６…プーリ、７…タイミングベルト、９…吐出ポート、１０ａ、１０ｂ、１１ａ、１１ｂ、１２ａ、１２ｂ…転がり軸受、１４、１５…圧縮室、１７ａ、１７ｂ、１７ｃ、１７ｄ…バランスウエイト、２０…スライダ、２０ａ、２０ｂ…平坦部、２１…スリーブ、２１ａ、２１ｂ…平坦部、２２…凹部、２３…平坦部、２４…ボルト、３０…スライダ、３０ａ、３０ｂ…平坦部、１０１…第１の固定部材、１０２…第２の固定部材、１０３…旋回部材、１０１ａ、１０１ｂ、１０２ａ、１０２ｂ、１０３ａ、１０３ｂ…転がり軸受。

Claims

鏡板の両側に渦巻状のスクロールラップを有する旋回スクロールと、前記旋回スクロールの両側に配置され、前記旋回スクロールのスクロールラップに噛み合うスクロールラップを有する固定スクロールと、前記２つの固定スクロールに支持され前記旋回スクロールを旋回運動させる駆動クランク軸及び補助クランク軸と、前記駆動クランク軸と前記補助クランク軸とを同期回転運動させるための同期回転機構と、を有するスクロール圧縮機において、
前記旋回スクロールはアルミニウム合金からなり、前記補助クランク軸が貫通する孔と、この孔の内面に設けられ、前記駆動クランク軸の軸中心と前記補助クランク軸の軸中心とを結ぶ線と平行に前記補助クランク軸を挟んで対向する位置に設けられた凹部と、これらの凹部に固定されたスライダとを有し、
前記スライダの前記補助クランク軸に向かった面と接触し、前記補助クランク軸の回転を支持する軸受が嵌合したスリーブが設けられ、
このスリーブの線膨張係数は、前記軸受の線膨張係数よりも大きく、前記スライダの線膨張係数は、前記スリーブの線膨張係数より大きいものであることを特徴とするスクロール圧縮機。
請求項１記載のスクロール圧縮機において、
前記スライダは、潤滑剤が含浸または塗布された材料で構成されていることを特徴とするスクロール圧縮機。
請求項１記載のスクロール圧縮機において、
前記スライダは，潤滑剤が含浸または塗布された焼結合金で構成されていることを特徴とするスクロール圧縮機。
請求項１記載のスクロール圧縮機において、
前記スライダは、潤滑剤が充填または塗布された樹脂で構成されていることを特徴とするスクロール圧縮機。